(57)【要約】【課題】  高燃焼度、長期連続運転の炉心において、ボイド係数が適切な値になりかつ反応度調整を適切な可燃性毒物量で実現できる沸騰水型原子炉用燃料集合体を得る。【解決手段】  正方格子状に配列された複数の燃料棒１０１と、これらの燃料棒全体の外周を囲むチャンネルボックス１０４とを有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、燃料棒１０１は、可燃性毒物を添加しない複数の第１の燃料棒（グループ１〜４）と、可燃性毒物としてガドリニウムのみが添加された少なくとも１本の第２の燃料棒（Ｇ）と、可燃性毒物としてガドリニウム以外の希土類酸化物のみが添加された少なくとも１本の第３の燃料棒（Ｅｒ）と、を含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正方格子状に配列された複数の燃料棒と、これらの燃料棒全体の外周を囲むチャンネルボックスとを有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、
前記複数の燃料棒は、可燃性毒物を添加しない複数の第１の燃料棒と、可燃性毒物としてガドリニウムのみが添加された少なくとも１本の第２の燃料棒と、可燃性毒物としてガドリニウム以外の希土類酸化物のみが添加された少なくとも１本の第３の燃料棒と、を含むこと、
を特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項２】
請求項１に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記第２の燃料棒の本数が前記第３の燃料棒の本数よりも少ないことを特徴とする請求項１記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項３】
請求項１または２に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記第２の燃料棒の少なくとも一部と前記第３の燃料棒の少なくとも一部が互いに隣接していること、を特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体において、少なくとも１本のウォータロッドが中央近辺に配置されていて、前記第２の燃料棒の少なくとも一部が前記ウォータロッドに隣接して配置され、前記第３の燃料棒が前記ウォータロッドに隣接しないで配置されていること、を特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記第２の燃料棒が複数あって、これら第２の燃料棒の少なくとも一部が互いに隣接していること、を特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項６】
正方格子状に配列された複数の燃料棒と、これらの燃料棒全体の外周を囲むチャンネルボックスとを有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、
前記複数の燃料棒は、可燃性毒物を添加しない複数の第１の燃料棒と、可燃性毒物としてガドリニウムおよびガドリニウム以外の希土類酸化物の両方が添加された少なくとも１本の第２の燃料棒と、を含むこと、
を特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項７】
請求項６に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記第２の燃料棒には、酸化ガドリニウムおよび酸化エルビウムが含まれ、前記第２の燃料棒における酸化ガドリニウム重量割合が酸化エルビウム重量割合よりも小さいこと、を特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉用燃料集合体に関し、特に、可燃性毒物を添加した燃料棒を含み、高燃焼度や長期サイクル運転に好適な沸騰水型原子炉用燃料集合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉においては、一般に燃料棒の一部に可燃性毒物を添加して可燃性毒物入り燃料棒として用いており、ほとんどの場合可燃性毒物として酸化ガドリニウム（ガドリニア）を用いている。ガドリニウム以外の希土類酸化物のうちエルビウム、サマリウム、ユーロピウム、ディスプロシウム等の断面積が大きい核種も可燃性毒物としての性質を持っているため一部の原子炉での利用も考えられている（特許文献１〜３参照）。
【０００３】
ここでは、図３〜図６を用いてガドリニウムとガドリニウム以外の希土類酸化物（エルビウム、サマリウム、ユーロピウムの酸化物）の可燃性毒物としての特徴、沸騰水型原子炉用燃料集合体における可燃性毒物入り燃料棒の利用方法について説明する。
【０００４】
ガドリニウムは軽水炉で最も吸収断面積が大きく、たとえばガドリニウム１５７（Ｇｄ−１５７）では熱群の断面積は２５０，０００バーンと全アイソトープ中で最大であり燃焼により濃度が減少して毒物反応度が減少する可燃性毒物としての特性を持つ。図３にＧｄ−１５７断面積のエネルギー依存性を示す。図の一点鎖線（ＣＡＰＴＵＲＥ）に示されるように、熱吸収断面積は熱エネルギー側で非常に大きく、共鳴吸収の鋭い多数のピークを除外すれば、中性子エネルギーが高速となるほど吸収断面積が減少していく。
【０００５】
次に、図４にエルビウム１６７（Ｅｒ−１６７）の断面積のエネルギー依存性を示す。図の一点鎖線（ＣＡＰＴＵＲＥ）に示されるように、Ｅｒ−１６７の熱群の吸収断面積は６００バーン程度とＧｄ−１５７よりは小さいものの、可燃性毒物として使用できる程度の吸収断面積を持つ。また、エネルギー依存性はＧｄ−１５７とは異なり、共鳴領域に大きな吸収ピークを持ち、共鳴積分の値はＧｄ−１５７の７６０バーンに対し３０００バーンと約４倍大きい。
【０００６】
次に図５および図６にそれぞれ、サマリウム１４９（Ｓｍ−１４９）、ユーロピウム１５１（Ｅｕ−１５１）の断面積のエネルギー依存性を示す。これらのアイソトープはエルビウム１６７と同じようにＧｄ−１５７とは違って共鳴領域に大きな吸収ピークを持ち、共鳴積分の値はＧｄ−１５７より大きな値を持つ。ディスプロシウム１６２は断面積図を示さないが、サマリウム１４９（Ｓｍ−１４９）、ユーロピウム１５１（Ｅｕ−１５１）と同様な断面積のエネルギー変化を示す。
【０００７】
なお、図３〜図６は日本原子力研究所エネルギーシステム研究部核データセンターホームページ(http://wwwndc.tokai.jaeri.go.jp/jendl/j33/J33_J.html)に掲載されているＪＥＮＤＬ−３．３の断面積図から引用した。
【０００８】
沸騰水型原子炉用燃料集合体における可燃性毒物入り燃料棒は、酸化ウランなどの母材にガドリニアを混合して焼結したいわゆる固容体にして用いられる。添加するガドリニアの濃度は、原子炉の運転期間や燃焼度、ウランの濃縮度、集合体内での位置などを考慮して決定され、通常２〜１０ｗｔ％の濃度の範囲で用いられている。可燃性毒物入り燃料棒の集合体内での配置としては様々のものが用いられている。可燃性毒物入り燃料棒同士が相互に隣接しないよう配置する場合、一部をＬ字状に隣接させる場合、一部をウォータロッドに隣接させる場合、一部をチャンネルボックスに隣接させる場合などがある。
【特許文献１】特開平４−２１２０９３号公報
【特許文献２】特開平８−２０１５５５号公報
【特許文献３】特開２０００−２９８１８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述の従来のガドリニウムのみまたはガドリニウム以外の希土類酸化物のいずれかのみを可燃性毒物として用いる燃料集合体では以下の点が課題であった。
【００１０】
（１）ガドリニウムを単独で用いる場合は、熱エネルギー領域でのみ大きい断面積となるため、可燃性毒物反応度が特に大きい燃料集合体の場合ではボイド反応度係数が正側になる場合があった。たとえば、取出燃焼度が８０ＧＷｄ／ｔ程度以上に大きい炉心や連続運転期間が５年以上となるような炉心では可燃性毒物入り燃料棒数が多くなり、燃焼初期でボイド係数が負で小さいまたは正になる場合がある。また、ガドリニウムで１０年以上の長い連続運転用に用いる場合には吸収断面積が大きいため減耗が早く濃度をそれに応じて高めることが必要であり、天然のガドリニウムの場合には、数１０ｗｔ％の濃度が必要である。そのため、ウランなどの核分裂性物質装荷量が減少してしまう欠点があった。
【００１１】
（２）エルビウムを単独で用いる場合は、熱エネルギー領域での吸収断面積が十分に大きくないため、初期反応度を抑制するためには可燃性毒物の添加量をガドリニウムと比較して大幅に増やす必要がある。また、単独で用いると共鳴領域の吸収のみ大きいため、ボイド係数が負側に大きくなりすぎる課題がある。
【００１２】
本発明は上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、特に高燃焼度の炉心、長期連続運転の炉心において、ボイド係数が適切な値になりかつ反応度調整を適切な可燃性毒物量で実現することのできる沸騰水型原子炉用燃料集合体を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は上記目的を達成するものであって、請求項１に記載の発明は、正方格子状に配列された複数の燃料棒と、これらの燃料棒全体の外周を囲むチャンネルボックスとを有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記複数の燃料棒は、可燃性毒物を添加しない複数の第１の燃料棒と、可燃性毒物としてガドリニウムのみが添加された少なくとも１本の第２の燃料棒と、可燃性毒物としてガドリニウム以外の希土類酸化物のみが添加された少なくとも１本の第３の燃料棒と、を含むこと、を特徴とする。
【００１４】
また、請求項６に記載の発明は、正方格子状に配列された複数の燃料棒と、これらの燃料棒全体の外周を囲むチャンネルボックスとを有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記複数の燃料棒は、可燃性毒物を添加しない複数の第１の燃料棒と、可燃性毒物としてガドリニウムおよびガドリニウム以外の希土類酸化物の両方が添加された少なくとも１本の第２の燃料棒と、を含むこと、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、可燃性毒物の吸収能力を大幅に高めることができるため、可燃性毒物入り燃料棒本数を減らした燃料集合体を提供することができる。また、ガドリニア単独の場合に較べて長期間毒物反応度を持続できる燃料集合体を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第１の実施形態を、図１を参照して説明する。図１は燃料集合体１００における燃料棒１０１およびウォータロッド１０２の配置を模式的に示す平面図である。燃料棒１０１は正方格子状に１２行１２列に配置され、全体が角筒状のチャンネルボックス１０４に囲まれている。ウォータロッド１０２としては、燃料棒並びの中央部に、円形断面のもの１本が配置されている。なお、図１は燃料棒１０１などの配置を示すための図であって、実際の各燃料棒１０１の平断面は円形であることが好ましい。
【００１７】
燃料棒１０１には、可燃性毒物が添加されていない濃縮ウランペレットが充填された燃料棒と、可燃性毒物入り燃料棒とが含まれている。可燃性毒物が添加されていない燃料棒はウラン濃縮度により、グループ１〜４の４種類に分けられる。図１で、記号１〜４と記載されているのは、各グループ１〜４に対応する位置を示している。グループ１の燃料棒の濃縮度が最も高く、グループ２、３、４の順に濃縮度が低くなっている。
【００１８】
可燃性毒物入り燃料棒には２種類があって、一方の燃料棒Ｇは、濃縮ウランの母材にガドリニアのみが添加されており、図で記号Ｇで表されている。もう一方の燃料棒Ｅｒは、濃縮ウランの母材に酸化エルビウム（エルビア）のみが添加されており、図で記号Ｅｒで表されている。
【００１９】
図１の例では、グループ１が５８本、グループ２が２４本、グループ３が８本、グループ４が４本で、燃料棒Ｇが１２本、燃料棒Ｅｒが２２本である。
【００２０】
可燃性毒物なしの濃縮ウラン燃料棒グループ１〜４は、低い濃縮度の燃料棒グループ３および４が外周位置に配置されている。またグループ２の燃料棒は外周位置およびウォータロッド１０２に隣接する位置に配置されている。燃料棒Ｇは燃料棒の並びの外周から２層目に配置され、燃料棒Ｇ同士が隣接している。また、燃料棒Ｅｒは２層目以内の位置に、相互に隣接しないよう配置されている。ただし、ここで、「隣接」とは縦または横方向に隣り合うことをいい、斜め方向に向かい合うものは含まない。燃料棒Ｇの本数と燃料棒Ｅｒの本数は前者の方が少ない。
【００２１】
蒸気を含む冷却材の軽水は、チャンネルボックス１０４内で燃料棒１０１の間を下部から上部に向って流れる。ウォータロッド１０２の内部には、蒸気をほとんど含まない冷却材が流れる。また燃料集合体１００のチャンネルボックス１０４の外側は蒸気を含まない冷却水が流れている。また燃料集合体１００は原子炉の中に規則的に配置されることから隣接位置には集合体間の一定間隔を保って同様の燃料集合体が並んでいる。
【００２２】
上記構成の燃料集合体で、燃料棒Ｅｒは大きな共鳴領域での中性子吸収断面積を持つことから、共鳴エネルギーの中性子を吸収する。一般に、共鳴領域の吸収のみでは毒物反応度は十分確保できないが、燃料棒Ｇは熱中性子の吸収断面積が極めて大きく熱エネルギーでの毒物効果が大きく、両者で大きな毒物効果が得られる。たとえば、燃料棒Ｇのみの場合や燃料棒Ｅｒのみの場合に比べて、総量が同じであっても熱と共鳴の両方のエネルギーにおいて毒物効果を発揮することから、単独での使用より毒物反応度効果が大きい。
【００２３】
燃料棒Ｇと燃料棒Ｅｒは中性子の吸収によって吸収断面積の大きくない核種に変換される。燃料棒Ｇは断面積が非常に大きいため、変換の速度が速い。それに比較すると、燃料棒Ｅｒは相対的に遅い速度で変換される。この実施形態では燃料棒Ｇ同士が相互に隣接しているため隣接していない場合より中性子が局所的に凹む。そのためガドリニアの変換速度は、燃料棒Ｇ同士が隣接していない場合よりは緩やかな速度で変換される。一方、燃料棒Ｅｒはいずれも隣接していないため、燃料棒Ｇが隣接している場合のような変換速度の減少は起きない。
【００２４】
以上説明したように、本実施形態によれば、燃料棒Ｇや燃料棒Ｅｒの単独使用の場合よりも同じ本数でも毒物効果を高められることから、可燃性毒物入り燃料棒本数を削減できる。一般に可燃性毒物を添加すると燃料棒の熱伝達が悪化するため可燃性毒物入り燃料棒のウラン濃縮度を平均程度に制限する例があるが、可燃性毒物入り燃料棒を減らすことができれば濃縮度を高めた燃料集合体が実現できる。そのため、より高燃焼度の燃料集合体とでき、その結果、燃料コストの低減も実現できる。
【００２５】
さらに、燃料棒Ｇ同士を隣接させたことから燃料棒Ｇ中のガドリニア変換速度が減少し、より長期間の使用ができる。一方、燃料棒Ｅｒ中のエルビアは中性子断面積がガドリニアより小さいため、変換速度が遅い。したがって、燃料棒Ｅｒ同士を隣接させないことによって燃料棒Ｇの変換速度に近づけることができる。このようにすることにより、エルビアのみまたはガドリニアのみが先に変換されて片方が残留してしまうことを避けることができる。
【００２６】
さらに、燃料棒Ｇの中性子吸収効果は燃料棒Ｅｒよりもはるかに大きいため、燃料棒Ｇの１本当りの吸収能力は燃料棒Ｅｒより大きい。したがって、燃料棒Ｇの本数を燃料棒Ｅｒより少なくすることで熱中性子と共鳴中性子をバランスよく吸収させることができる。ただし、初期の反応度を抑制するために、設計によっては燃料棒Ｇの本数を燃料棒Ｅｒの本数と同程度とすることも可能である。
【００２７】
燃料棒Ｇのガドリニア重量割合は２〜１０ｗｔ％の範囲で一般に用いるが、燃料棒Ｅｒ中のエルビアについてはガドリニアの重量割合よりも大きい重量割合を用いると、一方が大幅に残留することがなく、いわゆる残留反応度ペナルティーを最小限にすることができる。さらにエルビアを主体に用いて長期運転に用いる場合には、ガドリニア濃度をエルビアの濃度より小さく設定することが考えられる。たとえば１０年連続運転用の炉心に用いるような場合が該当する。
【００２８】
さらに燃料棒Ｅｒはエルビア単独でなく、ガドリニアも同時に添加して用いることもできる。この場合、燃料棒Ｅｒの本数を増加させることなく可燃性毒物総量を増加できる。なお、燃料棒Ｇにエルビアを添加して用いることももちろん可能であり、この場合はさらに可燃性毒物総量を増加できる。このように両者を同時に添加して用いる場合は、ガドリニアの重量割合をエルビアより小さくすることでいわゆる残留反応度ペナルティーを最小限にすることができる。ただし、長期運転に用いる場合には、エルビアの濃度をガドリニアの濃度より大きく設定する設計とすることも考えられる。
【００２９】
なお、上記説明では１２行１２列の配列を例に説明したが、この発明は沸騰水型原子炉用燃料集合体一般に適用が可能である。さらに可燃性毒物入り燃料棒は集合体の最外周位置に配置することも可能であり、たとえば最外周位置には燃料棒Ｇや燃料棒Ｅｒのいずれかを必要に応じて配置することが可能である。
【００３０】
本実施形態ではウォータロッドを円形断面のものを１本としたが、ウォータロッドの断面形状はどのようなものでも適用でき、たとえば四角断面のものとしたり、円形断面のものを複数本としても良い。またさらにウォータロッドのような円形や角型断面ではなく実質的にウォータロッドの役割を果す非沸騰水の流れる流路がチャンネルボックス内に形成されている燃料集合体でも適用できる。このような例としては内部十字ギャップ型の燃料集合体が知られている。
【００３１】
上記説明では希土類酸化物としてエルビアを可燃性毒物として用いているが、エルビアの代わりにサマリウム、ユーロピウム、ディスプロシウムの酸化物を用いても同様な効果が得られる。
【００３２】
次に、本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第２の実施形態を、図２を参照して説明する。ただし、第１の実施形態と共通の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００３３】
図２は第２の実施形態の沸騰水型原子炉用燃料集合体２００を上からみた平面において、燃料棒１０１およびウォータロッド２０２の配置を模式的に示したものである。第２の実施形態では、燃料棒１０１が１０行１０列の正方格子状に配置されている。また、２本の円形断面のウォータロッド２０２が燃料棒並びのほぼ中央に配置されている。
【００３４】
可燃性毒物が添加されていない燃料棒のグループ１〜４および濃縮ウランの母材にエルビアのみが添加された燃料棒Ｅｒのそれぞれの構成は、第１の実施形態と同様である。
【００３５】
第２の実施形態では、濃縮ウランの母材にガドリニアのみが添加された燃料棒が、その位置により燃料棒Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３の３種類に分けて表示されている。燃料棒Ｇ１は外周から２列目にあって、可燃性毒物が添加されていない燃料棒のみと隣接している。燃料棒Ｇ２は外周から３列目にあって、燃料棒Ｅｒのみと隣接している。燃料棒Ｇ３はウォータロッド２０２および可燃性毒物が添加されていない燃料棒と隣接している。燃料棒Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３について、ガドリニア濃度はＧ１、Ｇ２、Ｇ３の順で濃度が高く、Ｇ２とＧ３の濃度は等しくてもよい。またウランの濃度はＧ１とＧ２が等しく、Ｇ３が最も低く設定されている。
【００３６】
グループ１が４４本、グループ２が８本、グループ３が８本、グループ４が４本で、燃料棒Ｇ１が４本、燃料棒Ｇ２が４本、燃料棒Ｇ３が２本、燃料棒Ｅｒが２２本である。
【００３７】
上記構成によれば、ガドリニアのみを含む可燃性毒物入り燃料棒Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３同士やエルビアのみを含む可燃性毒物入り燃料棒Ｅｒ同士を隣接させないことによって、同じエネルギー領域の中性子を局所的に吸収することがなくなる。また、熱エネルギー領域の中性子が多いウォータロッド２０２に燃料棒Ｇ３が隣接されていることによって、燃料棒Ｇ３の中性子吸収量が、ウォータロッド２０２に隣接しない場合より大きくなる。
【００３８】
この第２の実施形態によれば、異なる種類の可燃性毒物入り燃料棒同士を隣接させることにより、同種の可燃性毒物入り燃料棒を隣接させるよりも本数あたりの毒物効果を高められることから、可燃性毒物入り燃料棒本数を削減できる。特に、反応度を大きく抑制する必要のある長期運転サイクル用の燃料では可燃性毒物入りの燃料棒を多数配置する必要があるため、本方式を採用することによって可燃性毒物入り燃料棒の本数の制約が緩和される。また燃料棒Ｅｒは共鳴中性子の吸収断面積が大きいため、ウォータロッド２０２に隣接させても吸収効果がむしろ小さくなってしまう。そのためガドリニアを含む燃料棒Ｇ３を優先してウォータロッド２０２に隣接させている。これにより、可燃性毒物入り燃料棒全体の吸収効果を高めている。
【００３９】
なお、この実施形態においては１０行１０列配列を例に説明したが、この発明は沸騰水型原子炉用燃料集合体一般に適用が可能であるのはいうまでもない。さらに、ガドリニア入りの燃料棒は集合体の最外周位置に配置することでも効果を高められることも明らかである。たとえば最外周位置には、燃料棒Ｇ１、燃料棒Ｇ２、燃料棒Ｇ３のいずれかを必要に応じて配置することが可能である。また本実施形態ではウォータロッドを円形断面のものを２本としたが、ウォータロッドの断面形状はどのようなものでも適用でき、たとえば四角断面のものとしたり、円形断面のものを１本としても良い。
【００４０】
本実施形態でも、希土類酸化物としてエルビアを可燃性毒物として用いているが、エルビアの代わりにサマリウム、ユーロピウム、ディスプロシウムの酸化物を用いても同様な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第１の実施形態の模式的水平断面図。
【図２】本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第２の実施形態の模式的水平断面図。
【図３】ガドリニウム１５７の断面積図であって、縦軸を断面積（バーン）、横軸を中性子エネルギー（ｅＶ）として表すグラフ。
【図４】エルビウム１６７の断面積図であって、縦軸を断面積（バーン）、横軸を中性子エネルギー（ｅＶ）として表すグラフ。
【図５】サマリウム１４９の断面積図であって、縦軸を断面積（バーン）、横軸を中性子エネルギー（ｅＶ）として表すグラフ。
【図６】ユーロピウム１５１の断面積図であって、縦軸を断面積（バーン）、横軸を中性子エネルギー（ｅＶ）として表すグラフ。
【符号の説明】
【００４２】
１００，２００…燃料集合体、１０１…燃料棒、１０２…ウォータロッド、１０４…チャンネルボックス、２０２…ウォータロッド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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